BAB V LARUTAN
Langkah 4. Karena n = 2, kita temukan
8.21 Dua sumber energi praktis .1 Sel Penyimpan Timbal
Perhatikan pertama sel penyimpan timbal-asam. Seperti yang kita gambarkan arus dari sel, pada plat positif, yaitu katoda, PbO2 direduksi menjadi PbSO4:
PbO2(s) + 4 H+ + SO42- + 2 e- PbSO4(s) + 2 H2O, Sedang pada plat negatif, anoda,timbal dioksidasi menjadi PbSO4,
Pb(s) + SO42- PbSO4(s) + 2e-
Potensial sel adalah 2 volt. Seperti arus yang dialirkan dari sel, potensial sel tidak turun banyak sehingga energi, I, dekat ke nilai reversibel, rev I. Arus yang agak besar-ratusan ampere-dapat dialirkan dari alat tersebut yang bermuatan penuh tanpa mengalami turun potensial yang berarti.
Saat sel perlu di’recharge’, kita gunakan sumber tenaga dari luar untuk mendorong arus melewati sel dalam arah yang berlawanan ;plat positif sekarang adalah anoda yang disitu PbSO4 dioksidasi menjadi PbO2; plat negatif adalah katoda yang disitu PbSO4
direduksi menjadi Pb. Beda potensial yang harus ditanamkan untuk mengisi sel harus lebih besar daripada beda potensial pada waktu penggunaan, tetapi tidak sangat besar.
Efisiensi voltase sel didefinisikansebagai:
Voltase rata rata selama pemakaian Efisiensi voltase = --- --- Voltase rata rata selama pengisian
Efisiensi voltase sel Timbal-Asam sekitar 80%. Kedekatan dengan kesetimbangan ini adalah konsekuensi dari kecepatan reaksi kimia dalam sel. Seperti kita telah lihat, kemampuan untuk memasok arus yang besar pada potensial dekat dengan potensial rangkaian terbuka berarti bahwa reaksi kimia pada elektroda adalah cepat; selama muatan dialirkan oleh arus, potensial akan turun, tetapi reaksi kimia terjadi cukup cepat untuk menyusun kembali potensial.
Jika kita membandingkan kuantitas muatan yang diperoleh dari sel Timbal-Asam terhadap kuantitas yang harus dimasukkan untuk mengisi sel, kita dapatkan nilai 90-95 %, atau bahkan lebih tinggi pada keadaan khusus. Ini berarti bahwa sangat sedikit arus pada saat pengisian yang dibuang sebagai reaksi samping (misalnya reaksi elektrolisis air).
Seluruhnya, sel penyimpan Timbal adalah alat yang luar biasa: Ia sangat efisien; Versinya yang lebih besar dapat berumur 20 sampai 30 tahun (jika dipakai dengan hati hati); dan ia dapat dipakai ribuan kali. Kerugiannya yang utama adalah beratnya yang besar (penyimpan energi rendah terhadap rasio berat), dan jika tidak dipakai dalam keadaan terisi sebagian ia dapat rusak dengan cepat karena terbentuknya kristal PbSO4 yang tidak mudah direduksi atau dioksidasi oleh arus pengisian; kerusakan ini disebut ‘sulfasi’.
Untuk perubahan energi Gibbs standart dalam sel Timbal-Asam kita peroleh ( untuk pertukaran dua elektron)
Go = -376,97 kJ/mol;
Ho = -227,58 kJ/mol ; Qrev = TSo = +149,39 kJ/mol.
Ingat bahwa reaksinya endotermis jika sel tampil reversibel. Gambaran ini berarti bahwa tidak hanya perubahan energi, H, yang tersedia untuk menyediakan kerja listrik tetapi juga kuantitas panas, Qrev = TS, yang mengalir dari lingkungan untuk menjaga sel isotermal dapat dikonversi ke kerja listrik. Rasionya:
36 , 58 1 , 277
97 ,
376
o
Go
bandingkan kerja listrik yang dapat diproduksi untuk untuk penurunan entalpi bahan.
Extra 36 % adalah energi yang mengalir masuk dari lingkungan.
8.21.2 Sel Bahan Bakar
Pertanyaannya adalah apakah jenis reaksi dan jenis zat yang umumnya kita sebut bahan bakar ‘fuels’, (arang, petroleum, gas alam) dapat digabung dalam bahan bakar pembakar reaksi secara elektrokimia.
Gambar 8.9 Skema sel bahan bakar O2–H2
Mungkin sel bahan bakar yang paling sukses sejauh ini adalah sel Hidrogen- Oksigen, yang telah dipakai dalam pesawat angkasa. Elektroda yang terdiri dari tabir titanium berpori yang dilapisi lapisan platina sebagai katalis. Elektrolitnya adalah resin penukar kation yang dicampur dengan bahan plastik dan membentukm lembaran tipis.
Seluruh kombinasi dua elektroda dengan membran plastik antara keduanya hanya sekitar 0,5 mm tebalnya. Alat tersebut secara skematik tampak pada gambar 17,10. Resin tersebut dijaga jenuh dengan air melalui suatu sumbu , air yang terbentuk oleh operasi sel ini dialirkan ke luar melalui sumbu dan dikumpulkan sebagai air minum.Menghubungkan beberapa sel ini akan menaikkan voltase ke suatu nilai praktis, sedangkan menambah area aktif menambah arus yang dapat dialirkan dari sel. Sel ini telah dibuat untuk memasok energi sekitar 1 kilowatt.
Energi yang tersedia dibatasi oleh reduksi oksigen yang relatif lambat di permukaan katoda, O2 + 4H+ + e- 2H2O ; masalah ini ada pada setiap sel bahan bakar yang memakai elektroda oksigen. Awalnya, platina tampaknya adalah katalis terbaik tetapi bahkan platina juga tidak sebagus yang kita harapkan dalam hal ini. Laju reaksi anodik adalah, H2 2H+ + 2e-, oksidasi hidrogen di permukaan platina, relatif sangat cepat.Bagaimanapun, akan lebih baik jika kita dapat memakai sesuatu yang lebih murah dibanding platina sebagai katalis. Pada suhu yang lebih tinggi, laju reaksi lebih cepat dan kinerja sel lebih baik.
Di Tabel 8.3. kita telah mengurutkan sifat sifat termodinamik (pada 25oC) dari beberapa reaksi yang mungkin diinginkan sebagai reaksi sel bahan bakar. Setiap zat yang dapat dioksidasi , prinsipnya, dibawa ke kesetimbangan pada suatu elektroda.
tabel 8.3 Sifat termodinamika reaksi sel bakar yang mungkin
Reaksi
mol kJ
G /
mol kJ/
o
Go
mol kJ
S T o
/
V
o
H2 + ½ O2 H2O C + O2 CO2
C + ½ O2 CO CO + ½ O2 CO2
CH4 + 2O2 CO2 + H2O CH3OH + 3/2 O2 CO2 + 2 H2O C8H18 + 25/2 O2 8 CO2 + H2O C2H5OH + O2 2 CO2 + 9 H2O
237,178 394,359 137,152 257,207 817,96 702,36 5306,80 1325,36
285,830 393,509 110,524 282,985 890,36 726,51 5512,10 1366,82
0,83 1,002 1,24 0,91 0,92 0,97 0,96 0,97
-48,651 +0,857 26,628 -25,77 -72,38 --24,11 -205,19 -41,36
1,23 1,02 1,42 1,33 1,06 1,21 1,10 1,15
Sebagai contoh, oxidasi metanol dapat ditulis CH3OH + H2O CO2 + 6 H+ + 6 e-
Elektroda ini, jika dikombinasikan dengan suatu elektroda oksigen akan menghasilkan sel dengan potensial rangkaian terbuka sekitar 1,21 V. Suatu sel bahan bakar yang didasarkan pada metanol dan udara dalam larutan KOH telah dipakai mendayai stasion relay televisi.
Semua reaksi di tabel 8.3 akan menghasilkan sel dengan potensial sekitar satu volt.
Sel telah dibuat berdasarkan oksidasi karbon menjadi karbon dioksida. Dibutuhkan suhu yang relatif tinggi (500 sampai 700oC). Satu versi memakai elektrolit leburan sodium karbonat. Reaksinya adalah
Anoda C + 2 CO32- 3 CO2 + 4 e- Katode O2 + 2 CO2 + 4 e- 2CO32-
Reaksi over allnya adalah sederhana C + O2 CO2
Salah satu kesulitan sel bersuhu tinggi adalah susunan bahannya dapat terkorosi dengan cepat. Kerugian ini harus diseimbangkan dengan penambahan enegi yang tersedia pada suhu tinggi.
Hidrokarbon seperti metana, propana, dan dekana telah dioksidasi secara berhasil dalam sel bahan bakar, bahkan pada suhu di bawah 100oC. Kita dapat mengharapkan dengan demikian bahwa alat ini akan sangat meningkat di masa datang.
Sebagai alternatif dari oksidasi langsung hidrokarbon pada elktroda ,zat dapat dibentuk kembali pada suhu tinggi oleh reaksi
CH4 + 2 H2O CO2 + 4 H2
Hidrogen kemudian dioksidasi pada anoda. Metoda ini mungkin menjadi yang paling sukses dalam memakai hidrokarbon dan karbon itu sendiri sebagai bahan bakar elektrokimia.
SOAL SOAL:
1. Hitung potensial sell dan tentukan reaksi sell untuk masing-masing sell ini (data dalam tabel 8.1)
a). Ag(s) Ag+(aq.a = 0,01) Zn2+( a = 0,1) Zn(s);
b). Pt(s) Fe2+(aq.a = 0,1).Fe3+(aq.a = 0,1) Cl-(aq. a = 0,001) AgCl(s) Ag(s);
c). Zn(s) ZnO22- (aq.a = 1) ,OH-(aq.a = 1) HgO(s) Hg(l).
2. Hitung konstanta kesetimbangan masing-masing reaksi sell pada soal 1
3. Dari data dalam tabel 8.1 hitung konstanta kesetimbangan untuk masing- masing reaksi dibawah ini :
a. Cu2+ + Zn Cu + Zn2+ ; b. Zn2+ + 4CN- Zn(CN)42-;
c. 3H2O + Fe Fe(OH)3(s) + 3/2 H2
d. Fe + 2Fe3+ Fe2+
e. 3HsnO-2 + Bi2O3 + 6H2O + 3 OH- 2Bi + 3Sn(OH)62-
f. PbSO4(s) Pb2+ + SO42-
4. Perhatikan sel berikut ini
Hg(l) Hg2SO4(s) FeSO4(s)(aq,a = 0,01) Fe(s) a.Tuliskan reaksi sel
b.Hitunglah potensial sel, konstanta kesetimbangan untuk reaksi sel, dan perubahan energi Gibbs standart,Go pada 25oC (data di tabel 8.1)
5. Potensial standart pada 25oC adalah
Pd2+(aq) + 2e- Pd(s), o = o,83 V PdCl42- (aq) + 2e- Pd(s) + 4Cl-(aq), o = 0,64V
a.Hitung konstanta kesetimbangan untuk reaksi Pd2+ + 4Cl- PdCl42-
b.Hitunglah Go reaksi ini.
BAB IX
FENOMENA PERMUKAAN Setelah mempelajari bab ini, diharapkan mahasiswa dapat:
1. memahami energi permukaan dan tegangan permukaan 2. menghitung tegangan permukaan
3. menjelaskan fenomena kapiler 4. memahami fenomena antarmuka
5. memahami dan menjelaskan fenomena adsorpsi 6. menjelaskan isoterm adsorpsi
7. menjelaskan fenomena koloid